Simplificando el diseño de energía de EV superando el desafío de energía del controlador de puerta

Los sistemas de conversión de energía en los vehículos eléctricos siguen la configuración de medio puente. Este artículo explora el diseño de medio puente IGBT de un lado de alto voltaje (etapa de salida) del controlador de puerta.

Los vehículos eléctricos tienen que ver con la potencia. Los paquetes de baterías grandes suministran energía a varios sistemas de conversión de energía a través de altos voltajes y corrientes, y el convertidor CC-CC principal entrega energía a los sistemas de bajo voltaje en un vehículo. El inversor de tracción entrega potencia mecánica a las ruedas. Finalmente, el sistema de carga de la batería entrega energía a la batería para comenzar todo el proceso nuevamente. Cada sistema convierte la energía de una forma a otra.

La configuración de medio puente

En el corazón de estos sistemas se encuentra uno de los componentes clave de los sistemas de conversión de energía actuales:la configuración de medio puente. En esta configuración, un interruptor del lado alto y un interruptor del lado bajo alternan rápidamente las conexiones de la carga entre los rieles positivo y negativo de alto voltaje. Manejar las puertas de estos interruptores es esencial para maximizar la eficiencia al hacer que se comporten, tanto como sea posible, como interruptores ideales. Al comprender cómo fluye la energía desde los controladores de la puerta hacia los dispositivos de conmutación, la energía del controlador de la puerta se puede diseñar para realizar diseños de placa simplificados, costos reducidos y una fácil reutilización en diseños futuros.

Los sistemas EV a menudo se refieren a los rieles positivo y negativo de alto voltaje como DC Link + y DC Link–. La Figura 1 muestra un circuito de medio puente construido a partir de dispositivos IGBT y uno construido con FET de carburo de silicio (SiC). Para encender un IGBT, el voltaje de la puerta al emisor (VGE) debe elevarse por encima de un cierto umbral.

Figura 1. Medios puentes con controladores de puerta aislados y dispositivos de conmutación IGBT y dispositivos de conmutación SiC FET

Asimismo, en el caso de un SiC FET, este voltaje aparece desde la puerta hasta la fuente (VGS). Para simplificar, el resto de este artículo se referirá a un diseño de medio puente IGBT; sin embargo, los principios discutidos también se aplican a los diseños de SiC FET. La Figura 1 también muestra controladores de puerta aislados. Debido a los altos voltajes involucrados en muchos sistemas EV, el aislamiento a menudo es necesario para separar un controlador de sistema de bajo voltaje de la etapa de potencia de alto voltaje. Los controladores de puerta aislados unen estos dos dominios, lo que permite que el controlador del sistema controle los IGBT o los FET SiC de la etapa de potencia. Una vez más, por simplicidad, el resto de este artículo solo se referirá al lado de alto voltaje (etapa de salida) del controlador de puerta.

Para encender un IGBT, el controlador de la puerta debe elevar el voltaje de la puerta al menos al umbral VGE y luego proporcionar suficiente corriente para cargar la puerta y encender completamente el IGBT. Para el controlador de puerta del lado bajo conectado a DC Link, esto es bastante simple. Como se muestra en la Figura 1, la etapa de salida del controlador de la puerta está vinculada al enlace de CC, como su tierra y el riel positivo del "Dominio de potencia 2" para el VDD de la etapa de salida. Luego tira de la puerta a VDD para encender el dispositivo del lado bajo. Esto funciona porque VDD está referenciado a DC Link–, que está vinculado al emisor del IGBT; entonces, se crea un VGE positivo. Para el conductor de la puerta del lado alto, las cosas no son tan simples.

Para crear un VGE positivo, la tierra del controlador de la puerta del lado alto debe estar conectada al emisor del IGBT del lado alto. Sin esta conexión, el controlador de la puerta está esencialmente flotando con respecto al emisor del IGBT del lado alto y no puede impulsar la puerta. Esto también significa que el controlador de puerta del lado alto debe estar en un dominio de energía separado. Si está conectado al mismo dominio de potencia que el controlador de puerta del lado bajo, el emisor del IGBT del lado alto se conectará al enlace de CC y romperá la configuración de medio puente. Por lo tanto, la arquitectura de los dominios de potencia del controlador de puerta, especialmente en sistemas con múltiples circuitos de medio puente, tiene un impacto tremendo en la complejidad del sistema.

Topologías de convertidor con múltiples configuraciones de medio puente

Muchas topologías de convertidor complejas contienen más de una configuración de medio puente. Por ejemplo, los motores utilizados en las transmisiones de los vehículos eléctricos suelen ser motores trifásicos en los que cada fase se enciende y apaga para crear movimiento. El inversor de tracción utiliza tres circuitos de medio puente para alimentar cada fase del motor. Con seis dispositivos de energía y controladores de puerta, planificar cuidadosamente la distribución de energía del controlador de puerta tiene un gran impacto en el rendimiento. El inversor trifásico también ilustra las compensaciones para diferentes configuraciones de distribución de energía, que también son relevantes para otros sistemas que utilizan solo uno o dos circuitos de medio puente.

En un inversor trifásico, todos los dispositivos del lado de baja comparten una conexión de enlace de CC común a su emisor; por lo tanto, los controladores de la puerta del lado bajo pueden compartir un dominio de energía común. Desafortunadamente, los controladores de la puerta del lado alto tienen sus emisores conectados a las diferentes fases del sistema, por lo que se requieren tres dominios de energía separados, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Sistema trifásico con un solo convertidor CC-CC

Conectar los controladores del lado bajo a un solo dominio de energía y luego usar un solo convertidor CC-CC para generar los cuatro rieles de energía (también se muestra en la Figura 2) es una solución común para este problema. Sin embargo, este enfoque a menudo conduce a diseños de placa complejos y largas trazas de PCB, lo que puede causar problemas de EMI en sistemas de alta frecuencia. Lograr una regulación estricta del voltaje en los cuatro rieles de salida también es difícil cuando se usa un solo controlador CC-CC y, finalmente, puede provocar ruido desde el acoplamiento del lado alto al lado bajo a través del transformador compartido. Esto es especialmente problemático en diseños de SiC de alta frecuencia. Un enfoque diferente implica dividir el convertidor CC-CC en varios convertidores CC-CC independientes.

La división del convertidor CC-CC en varios convertidores CC-CC independientes generalmente simplifica el diseño de la PCB, reduce las longitudes de las trazas y proporciona una regulación limpia a cada riel de salida. También reduce en gran medida el ruido entre los dominios de potencia y permite que los sistemas basados ​​en SiC logren altas frecuencias de conmutación y máxima eficiencia. Además, el diseño del convertidor CC-CC independiente se puede reutilizar en otras configuraciones de medio puente con menos interruptores, como los sistemas de puente completo.

Integración de controladores DC-DC en controladores de puerta

En lugar de utilizar seis convertidores CC-CC independientes (uno para cada controlador de puerta aislado), el sistema generalmente se divide en cuatro convertidores para reducir el costo. Como se muestra en la Figura 3, algunos controladores de puerta, como Silicon Labs Si828x, integran el controlador DC-DC para reducir aún más el costo y el espacio en la placa y ofrecen el mismo controlador de puerta con y sin un controlador DC-DC integrado. En muchos casos, esta configuración logra el equilibrio adecuado entre complejidad, costo y rendimiento.

Figura 3. Sistema trifásico que utiliza controladores de puerta con controladores CC-CC integrados y cuatro dominios de potencia independientes

Los vehículos eléctricos y los sistemas de conversión de energía de los que dependen, llegaron para quedarse. A medida que las demandas de mayor eficiencia y mayor alcance continúen creciendo, los sistemas de energía serán empujados a lograr velocidades de conmutación más rápidas, topologías más complejas y voltajes más altos. Los nuevos dispositivos de interruptores de energía y los avances en la tecnología de controladores de puertas impulsarán la eficiencia de los circuitos de medio puente a nuevas alturas. Sin embargo, incluso a medida que evoluciona el circuito de medio puente, la arquitectura del dominio de potencia seguirá siendo una consideración de diseño crítica durante los próximos años.

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